高层建筑结构概念设计

1、目录1概念设计12结构概念设计13高层建筑结构设计的特点24概念设计的原则34.1结构刚柔的选择44.2结构平面布置宜刚度均匀44.3结构沿竖向刚度宜均匀55高层建筑抗震性能概念设计65.1延性结构和构件的概念65.2工程结构场地的选择75.3合理的基础设计75.4“三强三弱”85.4.1抗震框架屈服机制85.4.2强柱弱梁85.4.3强剪弱弯95.4.4强节点弱构件105.5设计多道设防结构115.5.1超静定结构115.5.2双重抗侧力体系115.6 加强结构的整体性125.7 转换层设计126高层建筑创意与结构概念设计的关系136.1建筑与结构概念设计136.2结构概念设计对建筑设计的作

2、用136.3 建筑师与结构工程师的关系137结语14参考文献15高层建筑结构概念设计摘要：本文主要通过查阅文献和阅读相关书籍，更加深刻的了解了高层建筑结构的概念设计。对概念设计、结构概念设计的含义有了进一步了解。认识了高层建筑结构设计的特点，归纳课概念设计的一般原则。并对高层建筑抗震性能概念设计做了比较详细的归纳总结，其中包括延性结构和延性构件，工程场地的选择，合理的基础设计，抗震设计中的“三强三弱”，设计多道设防结构，结构的整体性，以及归纳了高层建筑艺术创意与结构概念设计的逻辑互动的关系。关键词：概念设计，结构概念设计，概念设计原则，抗震性能，逻辑互动1 概念设计概念设计是指以工程概念为依据

3、，用符合工程客观规律和本质的方法，不经过数值计算，对一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题，依据整体结构体系与分体之间的力学关系，结构破坏机理，震害，试验现象和工程经验所获得的基本原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。高层建筑由于其高度原因,结构受力十分复杂，除了来自本身极大的自重和使用荷载外，还有来自水平方向的风荷载和地震作用，后者往往成为控制建筑结构设计的主要因素。1由于高层建筑结构的复杂性；发生地震时地震动的不确定性；我们对地震时结构响应认识的局限性与模糊性；高层建筑结构计算尤其是抗震分析计算的精确性；材料性能与施工安装的变异性以及其他不

4、可预见的因素等，导致设计计算结果（特别是简化计算的结果）可能和实际相差较大，甚至有些作用效应至今还无法定量计算出来。因此在设计中，虽然定量的分析计算是必须的，也是设计的重要依据，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。还必须非常重视概念设计。2而这些原则，规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。有些概念设计的要求，为整个设计设置二道防线，保证了建筑物的安全可靠。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。2 结构概念设计结构概念设计是运用人的思维和判断能力，从宏观上决定结构设计中的基本问题。结构具体来说就是有效地选择结构体系，与高层建筑物的使用要求相互

5、协调。首先应对使用空间的性质加以分析：如空间的大小、形状、各部分组成关系，及一些由于使用需要而提出的特殊要求等，然后再从平面形式、剖面形式等方面综合进行协调，使各空间的要求与其所对应的平、剖面形式相吻合。地震动及其影响是不确定的，结构计算模型的假定与地震时的实际工作有很大的差异，但是地震动及其影响又具有一定的规律性。对于高层建筑而言，一个合理的抗震设计，需要建筑师和结构工程师的密切配合，不能仅仅依赖于“计算设计”，而往往在很大程度上取决于良好的概念设计。高层建筑抗震概念设计的基本内容有3个部分：一是建筑设计应重视结构的规则性；二是建筑设计应选择合理的结构体系；三是结构设计应考虑构件和整体结构的

6、延性。对于第三项内容主要由结构工程师来把握，对于第一、第二项要求，则必须由有经验的、有抗震知识素养的建筑师和结构工程师在方案设计阶段中共同考虑，并讨论几种可供选择的结构形式，以便在结构专业开始设计之前，就能把不合要求的几何图形排除在体系之外。3 高层建筑结构设计的特点1.高层建筑结构设计的特点(1)高层建筑结构设计与低层多层建筑结构设计相比较，结构专业的各专业中占有更重要的地位。不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术要求，施工工期的长短和投资造价的高低。(2)高层结构设计中水平力是设计的主要因素。在低多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗

7、竖向荷载为主，侧向位移小，通常可以忽略不计。在高层结构设计中，随着结构高度的增加，水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。(3)高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。(4)高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样基础条件下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。另外地震效应是与建筑的质量成正比的，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。因此在高

8、层建筑中，结构材料宜采用高强度材料。(5)在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够承载力，必须具有足够的刚度；控制好在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；维护结构和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠连接。(6)有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察，摸清地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有较好场地土的对抗震有利的地段。(7)地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相临基础及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。(8)剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。剪跨比用于区分变形特

9、征和变形能力，剪压比用于限制内力，保证延性。4 概念设计的原则1 全面考虑原则8在做结构概念设计时，首先要对其所涉及的各个方面作全面的考虑。它包括建筑、结构和施工等方面的综合考虑，以及整体、局部和它们间关系方面的考虑。这3个方面的考虑构成了结构概念设计时的三维构思。2 功能协调原则结构概念设计时，应尽可能做到建筑、结构、设备和施工手段的功能协调，以便取得尽可能大的效能和尽可能多的效益。3实际出发原则概念设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题。例如认真考虑当地固有的自然条件(如气候、建筑地段、地质条件等)、当地历史形成的人文条件(如文化背景、已建建筑物等)、当地当时的资源条件(如资金、原材料、

10、设施等)。因而:(1)概念设计前要对当地的实际情况进行全面了解和分析；(2)概念设计时所取的各种条件要符合当地当时实际可能；(3)所做的概念设计方案必须充分满足未来使用时的实际需要。4 精益求精原则。概念设计包括结构概念设计往往是多种方案比较优选的过程。5 优化选型原则：优化结构体系。前提是掌握各类基本构件的特征(如与受力相关的几何特征，与变形相关的刚性特征等)，根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择合适的主要结构体系；优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下优化布置主要受力构件，重要的原则是平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向剖面除规整外侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突

11、变。高层建筑结构抗震设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或动力时程分析进行验算，以试图达到罕遇地震作用下结构不倒的目标。抗震概念设计应遵循以下原则：(1)结构的简单性。(2)规则和均匀性。(3)结构的刚度和抗震能力。(4)结构的整体性。4.1结构刚柔的选择结构设计时应将结构设计成刚一些，还是柔一些，在建立抗震设计概念的初期，是个争论的问题，因为刚度大的结构地震作用大，

12、显然要求较大的构件尺寸和钢材用量，似乎是不经济的；而较柔的结构地震作用小，但是变形较大，可节省材料，而一般认为框架的变形性能好，剪力墙变形性能差，主张选用较柔的框架结构，因而早期的设计对高层建筑应用剪力墙结构的限制较多。实际上，历次大地震都说明框架结构的震害比较大，设置剪力墙的结构震害较小，主要是因为剪力墙刚度大。事实说明结构的变形较小，震害就比较少。当然，不能得出刚度愈大愈好的结论，因为确实刚度愈大，地震作用愈大，材料用量会增加。按照延性框架要求设计的钢筋混凝土框架结构在地震作用下也有表现很好的实例。此外，结构振动和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关，当结构自振周期与场地土的卓越周

13、期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论振动变形还是地震力都会加大。因此，对于高层建筑抗震设计，不能做出“刚一些好”，还是“柔一些好”这样的简单结论，应该结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断，无论如何，重要的是设计时要进行变形限制，将变形限制在规范许可的范围内，要使结构有足够的刚度，设置部分剪力墙的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力；同时，应根据场地条件来设计结构，硬土地基上的结构可柔一些，软土地基上的结构可刚一些。可通过改变高层建筑结构的刚度调整结构的自振周期，使其偏离场地的卓越周期。4.2结构平面布置宜刚度均匀历次地震震害经验表明：简单和规则的结构遭遇地震后的破坏较轻。通常认为

14、简单的结构其受力性能比较明确，设计时容易分析结构在地震作用下的反应和内力分布规律，且结构细部的构造也好处理。形状的简单和复杂又是怎样区别呢？通常认为简单的平、立面图形是方形或圆形的，而复杂的图形是有凹角的，容易造成有应力集中或变形集中的薄弱环节。抗震设计能做到平、立面简单当然是较理想的，但实际工作中，建筑的平、立面出现凹角是经常的，比较现实的做法是要求建筑体型规则一些，规则的意思是有一定的对抗震有利的要求，也允许带有一定限度区的复杂性质。区分规则与不规则的界限很难划定。我国新的高层建筑结构设计规程给出了一些划分原则。 抗震结构平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂平面，但是，更重要的是

15、结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀，所谓平面刚度均匀就是“刚心”与质心靠近，减少地震作用下的扭转。扭转对结构的危害很大，减少结构扭转引起的破坏一般从两个方面人手，一是减少地震引起的扭转，二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度是否均匀是地震是否造成扭转破坏的重要原因，而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置，剪力墙集中布置在结构平面的一端是不好的，大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大，对称布置剪力墙、边布置刚度很大的框筒抵抗扭转。井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙都是增加结构抗扭刚度的重要措施，有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转，还要注意平面上质量分布，质量偏心会引起扭转，质量集

16、中在周边也会加大扭转。对于有些平面上有突出部分的建筑，例如L形、的平面，即使总体平面对称，还会表现出局部扭转。如图1所示：3图1 L形平面结构的局部扭转a）高振型 b）扭转变形 c）端部加强措施4.3结构沿竖向刚度宜均匀均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。均匀性问题表现如下：其一，竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式，结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房

17、屋的不同部分其振动特征不同，所以在收进处的横隔（楼盖或屋面板）产生应力突变，为此，在抗震设计时，可考虑几种处理方法：限制收进尺寸；当设置防震缝有利时，可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元，分割后的建筑体型应是均衡的，不致过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析；对刚度突变的构件采取加强措施。其二，柔性层框架。建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间，使结构处于上下不连续状况，产生竖向刚度突变，特别是柔性底层建筑，在历次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，这类构件的应力和变形集中是非常严重的，所以在抗震设计时应力求避免，底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承

18、受大的侧移。其三，同一层间的柱子刚度不同。建筑上由于空间需要或由于艺术构思，使得同一层间柱子的刚度差异较大，通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此设计时宜从抗震的角度重新安排结构系统，以使刚度尽量均衡。其四，抗震墙的不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性，为此在设计时，应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。其五，填充墙设置的影响。框架内的填充墙若设置不当，地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如，由于填充墙设置不当，可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此在设计时，应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。图2 沿高度刚度不均匀a）框支剪力墙的变

19、形 b）中间楼层软弱或大刚度 c）鞭梢效应5高层建筑抗震性能概念设计5.1延性结构和构件的概念延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性即塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都有部分构件进人塑性状态而耗能，耗能性能也是延性好坏的一个指标。构件延性延性比是指极限变形(曲率、转角或挠度f)与屈服变形的比值。屈服变形定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10%一20%时的变形。结构延性比对于一个钢筋混凝土结构，当某个构件出现塑性铰时，结构开始出现塑性变形，但一个构件屈服只会使结构刚度

20、略有降低;当出现塑性铰的构件数量增多以后，结构的塑性变形逐渐加大，结构刚度继续降低;当塑性铰达到一定数量以后，结构也会出现“屈服”现象，即结构进人变形迅速增大而承载力略微增大的塑性阶段，称为“屈服”后的弹塑性变形阶段，结构“屈服”时的位移定为屈服位移，当整个结构不能维持其承载能力，即承载能力下降到最大承载力的80%一90%时，达到极限位移。结构延性比通常是指极限顶点位移。显然，结构“屈服”的特征常常不明显，结构“屈服”有个过程，确定，的数值有困难，虽有一些简化方法，但是很难具有明确物理意义，也很难统一，因此，结构延性比数值常常是不确定的，很难定量，但是作为概念，结构的延性具有重要意义。如图3所

21、示：图3 结构的延性比5.2工程结构场地的选择从“5·12"汉川地震的震害事实可以看出，按照概念设计的基本原则选择对抗震有利的场地，还是能够在很大程度上减轻人员伤亡和经济损失。例如，四川彭州市白鹿镇中学的两栋教学楼分别位于发震断裂带两侧，地震时断裂错动2.lm，但由于教学楼避开了断裂带，并且建筑质量较好，楼房并没有倒塌。而破坏十分严重的北川县则是位于印度板块和亚洲板块积压断裂带，其坐落在河滩松散堆积物之上，场地效应和地基失效使破坏加剧，典型的地震多发区，大量的山体滑坡和岩石崩塌使得灾害雪上加霜。在场地的选择时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，

22、作出综合评价，对无法充分评价的场地或地震作用所产生的后果不能在结构设计中予以考虑的场地应避开。选择对抗震有利地段，不应在发震断裂带等危险地段建造甲、乙、丙类建筑。场地中存在软粘土、液化土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其它不利影响，并采取相应措施45.3合理的基础设计在进行高层建筑的基础设计时，应遵循以下原则:(1)高层建筑宜设置地下室，同一结构单元的地基在性质上不能截然不同，地基及基础埋入地下的深度要相同，地下室应当布置到整个结构单元，以确保地基及基础的结构整体性，总而达到抗震的整体最优。5(2)地震区钢筋钢筋混泥土高层建筑结构选型及构造措施建议一文中对基础埋深提出以下的参考意见:“对一般砂

23、粘土类地基，基础埋置深度不宜小于建筑地面以上高度的1/12。对于桩基，不宜小于1/15，桩的长度不计算在埋置深度内。对岩石类地基，可不考虑埋深要求，但应有可靠的锚固措施”。(3)高层建筑的高层部分与多层裙房之间，根据地基与上部结构的条件，可设沉降缝(在地震区兼作防震缝)，也可不设沉降缝。如有沉降缝，应将室外地坪以下之缝用粗砂填满填实，以保证侧限约束65.4“三强三弱”规范要求实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节弱杆”的要求体现出了结构抗震概念的思想。5.4.1抗震框架屈服机制对于框架，可能的屈服机制有梁铰机制、柱铰机制和混合机制几种类型，由地震震害、试验研究和理论分析可以得到梁铰机制(整体机制)优于

24、柱铰机制(局部机制)的结论。梁铰机制之所以优于柱铰机制是因为：1）铰分散在各层，即塑性变形分散在各层，梁出现塑性铰不至于形成“机构”而倒塌，而柱铰集中在某一层时形集中在该层，该层成为软弱层或薄弱层，则易形成倒塌，塑性变“机构”；2）梁铰机制中铰的数量远多于柱铰机制中铰的数量，散的能量更多，在同样大小的塑性变形和耗能要求下因而梁铰机制耗，对梁铰机制中铰塑性转动能力要求可以低一些，容易实现；3）梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤其是轴压比大的柱，要求大的延构延性好性和耗能能力是很困难的。实践证明，设计成梁铰机制的结。实际工程设计中，很难实现完全梁铰机制，往往是既有梁铰、又有

25、柱铰的混合铰机制。3图4 框架屈服机制a）梁铰机制 b）柱铰机制 c）混合铰机制5.4.2强柱弱梁为了了解地震作用对框架梁、柱构件的延性要求和影响因素，美国R. W. Clougt教授早在1966年就做了关于强柱弱梁框架的研究7，通过对一个2C层框架结构的弹塑性地震反应分析，对比了不同强度的梁和不同强度的柱在地震作用下的延性比要求。图5a是20层框架结构的几何尺寸和每个楼层重量，图5b列出了所有构件的刚度比，各构件刚度由下向上逐渐减小，标准框架的基本自振周期是2.2s。采用1940年E1 Centro地震记录南北方向分量作为地面运动的输入波，计算最初Ss的反应。图5a比较结构侧移，除接近顶部的

26、几层以外，梁的强度对侧移影响不大；图5b是对梁延性要求的比较，梁的强度和延性要求几乎成反比，梁强度最高的框架中，大多数梁尚未屈服或刚刚屈服，梁的强度愈小，梁的延性比要求愈大(屈服愈早的梁，塑性变形必然愈大)；图5c是对柱轴力的影响，明显可见，梁强度愈大，柱的轴力也愈大；图5d是对柱延性比要求的比较，各种情况中，16层以下的柱延性系数均小于1(尚未屈服)，而在上部，则梁的强度愈大，柱子的延性比要求愈高。图5 梁屈服强度比为1.5、2、4三种情况的比较上述比较具体说明了强柱弱梁设计所达到的效果：降低梁的强度可以降低对柱延性比的要求，可以减小柱的轴力，虽然对梁的延性比要求增大了，但是梁是延性很好的构

27、件，容易实现。5.4.3强剪弱弯在框架结构中除了把梁设计为强剪弱弯之外，对其他不同的结构形式也必须满足这一概念。钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系(以下简称为框一剪结构)由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成，框架的梁柱为刚接，框架与剪力墙可为刚接，也可为绞接。框架结构的层抗推刚度上下比较均匀，在水平地震作用下其变形曲线为剪切型，即层间侧移越往下越大：而剪力墙的层抗推刚度底层很大，越往上急骤变小，其变形曲线为弯曲型，即层间侧移越往上越大。所以，把框架结构和剪力墙结构布置在一个结构单元中，用平面无限刚的楼板把两种结构连系成一整体，可以起到互相取长补短的作用。剪力墙的抗震作用随着剪力墙的增多而减

28、小，甚至多到一定数量，剪力墙再增多时，其抗震作用不会再提高，反而使结构的造价提高。在结构概念设计阶段，简捷、正确地确定框架一剪力墙结构中剪力墙最优数量，可避免重复、烦琐的结构刚度调整计算。因此正确选择剪力墙刚度，确定剪力墙最优数量是一个很切实的问题，也是目前工程届普遍关注的问题之一。剪力墙的类型不同，墙肢和连梁相对配筋数量不同，会出现不同的破坏机制，见图6：图6 剪力墙的破坏形式a）悬臂墙 b）整体小开口墙 c）强墙弱梁联肢墙 d）连梁剪坏联肢墙比较以上各种情况，明显可见，c, d两类剪力墙符合超静定结构和多道设防原理，有利于抗震，而a, b两类破坏形态不利于抗震，其中关键的问题是连梁的设计，

29、连梁不能太强，跨高比大的连梁使剪力墙形成“整体小开口剪力墙”其性能与悬臂墙接近，连梁抗弯配筋太多，墙肢相对较弱(连梁不屈服)也是不利的。应该设计“强墙弱梁”的联肢剪力墙。对于连梁，也应该设计成强剪弱弯的形式。5.4.4强节点弱构件能量以保持结构的抗震要求。混凝土框架节点是框架结构的传力枢纽9-11，国内外历次地震调查结果显示混凝土框架结构破坏经常发生在框架节点区。在地震作用下框架节点破坏形式有梁铰破坏、柱铰破坏、核心区破坏和粘结锚固破坏。节点承受较大的水平剪力，核心区破坏是剪切破坏，易造成脆性破坏性质，会使结构处于极为不利状态，因此抗震设计准则要求“强节点弱构件”。我国混凝土结构规范和抗震规范

30、关于框架梁柱节点有较详细的规定12-14。节点不宜作为能量耗散的主要部分，节点的变形原则上应限制在弹性范围内。所以，不能仅靠节点的箍筋配置来保证不发生核心区破坏，而应靠限制节点的核心区大小来保证节点所能承受的剪力，因此，限制节点的尺寸大小是“强节点弱构件”抗震准则的重要保证，各国规范在框架节点有关抗震规定中都有体现。核心区的受剪是由空间斜压杆机构和析架机构共同作用的，因此节点的水平截面和梁高的大小都是影响核心区受剪能力的因素。框架节点多维加载试验和有限元非线性分析都表明:要使框架节点产生梁铰破坏不发生核心区破坏，梁高也是重要影响因素，但规范上限制核心区的尺寸时反映了梁的宽度以及柱的截面尺寸影响

31、，而梁的高度影响因素没有在公式中加以强调，这会使一些设计人员设计时忽略梁高因素，应进一步加强梁高的影响研究，并在规范中有关节点抗震要求予以考虑进去，在公式面尺寸限制中予以反映，以保证框架结构强节点设计。在工程设计中考虑框架强节点弱构件的设计准则时，要适当控制梁高，不能为了追求经济效应，在梁高设计上放松警惕。设计时要保证一定的梁刚度，来保证核心区的抗震能力，使在罕遇地震或超烈度地震作用下时，发生的是梁铰耗能和梁铰破坏机制。155.5设计多道设防结构5.5.1超静定结构静定结构，也就是只有一个自由度的结构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须做成超静定结构，因为超

32、静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅是要设计超静定结构，抗震结构还应该做成具有多道设防的结构，第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数。例如带有连梁的剪力墙或实腹筒(联肢剪力墙)，在第一道设防结构连梁破坏以后，还会存在一个能够独立抵抗地震作用的结构;又如框架一剪力墙(筒体)、框架一核心筒、筒中筒结构，无论在剪力墙屈服以后(剪力墙刚度退化)，或者在框架部分构件屈服以后(框架刚度退化)，另一部分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用，虽然会发生内力重分布，它们仍然能够共同抵抗地震，多道设防的结构不容易倒塌。要注意分析并且控制结构的屈服或破坏部位，及破坏过程只允许屈

33、服。有些部位允许屈服或甚至允许破坏，控制出铰次序而有些部位则，不允许破坏，甚至有些部位不允许屈服。5.5.2双重抗侧力体系这里要提出双重抗侧力体系的概念。双重抗侧力体系的特点是:由两种受力和变形性能不同的抗侧力结构组成，每个抗侧力结构都具有足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接协同工作，共同抵抗外力，特别是在地震作用下，当其中一部分有所损伤时，另一部分应有足够的刚度和承载力能够担当共同抵抗后期地震的任务。在抗震结构中设计双重抗侧力体系便于实现多道设防，是安全而可靠的结构体系。除了联肢剪力墙以外，还有框架一剪力墙(筒体)、框架一核心筒、筒中筒等结构都可能成为双重抗侧力体系

34、，也应该设计成双重抗侧力体系，以便实现抗震设计的多道设防。美国规范16中提出，在框架-剪力墙结构及框架-核心筒结构中，地震作用下，当框架部分的设计层剪力不小于该层总剪力的25%时作为双重抗侧力体系(如果计算剪力达不到，需要调整增大框架设计内力)，美国规范规定双重抗侧力体系的地震作用可以减小(美国规范中用不同的延性系数评价各种体系，延性系数高的结构体系，地震作用的折减较大，双重抗侧力体系的延性系数较高)。当框架剪力墙或框架核心筒结构中的框架构件断面小，框架担负的水平力小于25%总剪力时，美国规范采取的对策是减小它的延性系数，也就是相对提高其地震作用，并要求只考虑剪力墙或剪力墙筒体独立承受水平荷载

35、，也就是剪力墙或剪力墙筒体要抵抗100%水平荷载(框架仍然按其计算比例抵抗部分水平力)，以保证主体结构的安全。5.6 加强结构的整体性在房屋建筑的总体布置中，为了消除结构不规则、力以及不均匀沉降对结构的有害影响缝将房屋分成若干个独立的结构单元，可以用防震缝、收缩和温度应伸缩缝和沉降。但是在建筑中设缝也会带来一些问题：设缝会影响建筑立面、多用材料，使构造复杂、防水处理困难等，设缝的结构在强烈地震下相邻结构可能发生碰撞而导致局部损坏等，有时还会因为将房屋分成小块而降低每个结构单元的稳定、刚度和承载力，反而削弱了结构，因此，常常通过采取措施，避免设缝。我国规范规定的伸缩缝间距较小，有充分依据或可靠措

36、施时，可以适当加大伸缩缝间距，避免设置伸缩缝。12高层建筑常常设置裙房以采取各种措施减小沉降差主体和裙房之间的沉降差可能较大，可尽量不设沉降缝。不规则结构的薄弱部位容易造成震害，过去一般采用防震缝将其划分为若干独立的抗震单元，使各个结构单元成为规则的独立结构，目前工程设计更倾向于不设防震缝，而采取加强结构整体性的措施，加强薄弱部位防止破坏。如果在高层建筑中无法避免伸缩缝，或沉降缝，或防震缝，则都必须按照防震缝的要求设置其宽度，避免地震时相邻部分会互相碰撞而破坏。5.7 转换层设计现在高层建筑的使用功能并不唯一，不同功能的楼层就需要不同的空间划分，因而上下层之间就要求结构形式和结构布置轴线的改变

37、，这往往人为地切断了结构竖向传力路径为了实现正确传力，就需要在上下层之间设置结构转换层。在转换层构件设计中，水平转换物件应布置简单，受力明确，传力直接。在实际工程中，梁式转换层应用的最广泛，它具有受力明确、传力途径清楚的优点当需要纵横同时转换时，采用双向梁布置。采用箱形转换层时，由于箱形转换层具有较大的结构尺寸和刚度，因此必须对大空间的底层或下部几层的结构平面进行合理的布置，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱而产生较大的相对位移，造成破坏。当上下柱网轴线错开较多，难以用梁和桁架直接承托时，可以做成厚板，形成板式转换层结构。当底部大空间楼层的柱距较大时，可以考虑使用桁架转换层桁架式转换层具有刚度大

38、，自重轻，并能跨越很大跨度的特点。在转换层的设计时，必须要考虑结构竖向刚度的变化。转换层往往是竖向结构的薄弱部位，通过转化往往造成下部刚度削弱，为此通过加强落地剪力墙和调整各构件尺寸来解决，特别是框支结构，要严格控制转换层上下刚度。高层建筑混凝土结构技术规程中附录E对于转换层抗震设计要求做了相应说明。6高层建筑创意与结构概念设计的关系6.1建筑与结构概念设计从表象层面，建筑表现为空间方面的概念和形式，它是表现总体环境的。对于某个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。但是，关于空间形式的整体设想，也要求建筑师必须考虑建筑形式中有关荷载与抗力之间

39、关系的某些准则，即结构概念。这包括以下几个方面：一是所设想的空间形式应当固定在地面上；二是所设想的空间形式应当具有质量并能承受竖向重力荷载;三是所设想的空间形式必须能抵抗水平风和地震作用。最近，由荷兰建筑师库哈斯设计的中央电视台办公大楼，引起了专业人士的很多争议，其焦点就是它的建筑形式(近70 m的悬臂)有无视重力之嫌，其结构的合理性还要待建成之后得以检验。所以，在进行高层建筑设计时，建筑师的基本任务是：一方面要与结构工程师及其他工程技术人员协调合作；另一方面要根据建筑功能要求、建筑立意、场地情况、外力特征、施工条件及效率等因素，寻找出最经济、合理、美观的建筑方案。6.2结构概念设计对建筑设计

40、的作用在建筑设计领域，人们通常认为，结构是为建筑服务的，而结构工程师也只能被动地配合建筑师进行工作。其实这是一种误解，或者是消极的观点。作为建筑的骨架，结构本身亦是建筑空间形态的有力表现手段。在建筑发展史中，很多实例都是由建筑结构本身直接表现建筑形态的，例如拜占庭时期的宗教建筑和其后的文艺复兴教堂建筑，以其巨大的育顶形成了建筑的上部形式；中世纪的哥特式教堂，是西方古代建筑中结构与建筑形态完美结合的最典型例证。中国的古代建筑，没有专门的所谓立面设计，它也是以其梁、柱、斗拱、屋架结构体系直接表现建筑形态的。6.3 建筑师与结构工程师的关系由于建筑师“重外轻内”与工程师“重内偏外”的技术价值观的差异以及建筑师“重感轻理”与工程师“重理轻感”的思维差异，在实际工作中，建筑师与工程师的矛盾与冲突时有发生，主要表现在结构体系与建筑功能与空间表现之间的矛盾。然而，这种矛盾是能够化解的，并且，经过建筑师与工程师的合作与互动，可以寻求一条更为有效的